STM32F401+nRF24L01无线传输音频(对讲机原型)

尝试结合STM32F401的ADC, PWM, SPI(NRF24L01)和TIM, 对音频的无线传输(对讲机原型)进行了测试

工作机制

音频采样

由于硬件的限制， 包括STM32F401片内存储, 内存大小, PWM频率, 以及之前的实际测试NRF24L01获得的经验数据， 采样采用最基本的8bit分辨率, 采样频率为16KHz附近

• SYSCLK使用25MHz, APB2CLK使用半频率， 即12.5MHz
• ADC在APB2CLK基于8分频， 所以ADC时钟为12.5MHz/8
• ADC使用8bit分辨率, 对应11个ADC时钟, 采样周期为84， 所以每次采样95个ADC周期, 实际采样频率为 12500000 / 8 / 95 = 16,447 Hz, 接近16KHz
• 使用ADC2DMA, DMA使用一个32byte大小的uint8_t数组

无线传输

• 使用fastwrite机制, 也就是说，一直保持在头发状态， 只要FIFO TX队列未满就一直写， 满了就检查MAX_RT标志位, 如果位置被拉，再拉高CE重置发送状态
• 采样端使用DMA中断传输， 对应32个byte的DMA内存, 每次收集32个byte会触发中断， 此时调用NRF24L01进行发送
• 接收端使用IRQ中断接收, 创建一个128Byte接收数组， 循环写入. 每次收到中断，在里面写32个byte, 往后增长, 到右边界后，从0开始

音频输出

• 接收端也使用25MHz的SYSCLK
• 接收端启用PWM输出, 输出分辨率为8bit
• 接收端启用Prescaler=0, Period=1561的定时器TIM3, 该配置对应的频率是 25000000 / (0 1)(1561 1) = 16,005 Hz, 接近16KHz. (注: 这里的频率选择有一些问题， 比发送端频率略高， 这样才能保证持续发送， 播放不被接收打断)
• 每次定时器触发中断， 都会在128byte检查接收数组中是否有新数据， 有前进一格，此值修改PWM占空比, 无则跳过. 若已达到数组右边界，则返回数组0下标.

电路

输入端电路

输入端使用驻极体二极管S9014组成简单的放大电路.

输出端电路

先通过输出端RC低通滤波(R=20, C=10uF), 再使用PAM8403进行放大

项目代码

项目代码在Github: https://github.com/IOsetting/stm32f4-hal-projects/tree/main/Projects/WalkieTalkieDemo 可以使用Keil5 MDK打开和编译

测试记录

1. 采样: 采样工作正常， 观察输出可以看到采样值的变化
2. 传输: 距离测试仅10米， 出现MAX_RT标志的比例很小， 至少从16KHz采样, 32byte一个package从发送速率来看， 发送和接收都不是瓶颈. 当墙壁堵塞时，错误率显著上升
3. 播放: 背景噪音大， 近距离时容易相互干扰. 播放效果差， 沙沙声明显. 加入低通滤波器后，可以听到人声， 但还是达不到"能听"的水平.

电路部分原型

电路部分原型

发送端

下一步

因为传输不是瓶颈， 因此，改进的主要方向是音质. 可能需要从几个方面进行调查：

1. 播放方面. 这一块比较容易排查， 例如，使用单频音源输出， 使用预录音源输出， 评估使用量有多高PWM频率以及RC滤波参数可以达到可接受的播放效果
2. 采样方面. 有示波器会很方便， 没有示波器， 只能通过ADC判断采样输出， 编写代码将数组输出到存储中， 需要添加一些片外存储